CN108733937B - 定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法，包括：1、根据爪极发电机的电磁参数和定子绕组匝间短路故障情形，通过软件分别建立绕组匝间短路时爪极发电机的工作电路模型以及爪极发电机的电磁场有限元模型，在工作电路模型中仿真得到定子绕组匝间短路时爪极发电机的定子三相电流；2、将定子三相电流加载到电磁场有限元模型的电路模型中，仿真得到绕组匝间短路时爪极发电机受到的电磁力；3、将电磁力通过网格映射的方式加载到爪极发电机的结构有限元模型上，计算得到绕组匝间短路时爪极发电机的电磁噪声的仿真结果。与现有技术相比，本发明可以定量分析两种定子绕组匝间短路形式对电磁噪声的影响。

Description

定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法

技术领域

本发明涉及爪极发电机的有限元仿真领域，尤其是涉及一种定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法。

背景技术

由于爪极发电机具有结构简单、制造成本低以及可靠性高的优点，目前在汽车发电机领域得到了非常广泛的应用。然而，高温高振动的发动机舱工作环境和高电负荷高磁负荷的运行工况导致爪极发电机容易出现绕组匝间短路故障。绕组匝间短路故障的识别、诊断以及短路时的电磁噪声特性分析是车用爪极发电机的一个研究重点和难点，目前主要通过试验方法进行研究，然而试验法需要加工样机，试验周期长且成本高，不利于对绕组匝间短路时的电磁噪声进行定量研究。为了实现对绕组匝间短路故障进行快速有效的研究，有必要建立一套定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法。

专利CN201410662724.2提出了一种汽车交流发电机降噪优化设计方法，该方法首先利用有限元法对发电机的结构模态进行计算，然后将电磁力简化为集中力加载到发电机上进行电磁振动响应计算，最后应用瞬态边界元法进行电磁噪声计算。该方法只能仿真计算正常状态下的电磁噪声，而无法计算绕组匝间短路时的电磁噪声，此外该方法将每个定子齿面受到的分布电磁力等效为集中力进行加载，改变了电磁力的空间分布特性，会给仿真结果带来误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法，包括以下步骤：

S1、根据爪极发电机的电磁参数和定子绕组匝间短路故障情形，通过软件分别建立绕组匝间短路时爪极发电机的工作电路模型以及爪极发电机的电磁场有限元模型，在工作电路模型中仿真得到定子绕组匝间短路时爪极发电机的定子三相电流；

S2、将所述定子三相电流加载到电磁场有限元模型的电路模型中，将爪极发电机当做电动机进行电磁场仿真，得到绕组匝间短路时爪极发电机受到的电磁力；

S3、将所述电磁力通过网格映射的方式加载到爪极发电机的结构有限元模型上，计算得到绕组匝间短路时爪极发电机的电磁噪声的仿真结果。

优选的，所述绕组匝间短路时爪极发电机的工作电路模型的建立过程具体包括：

根据同一根绕组匝间短路故障和不同根绕组匝间短路故障情形，并结合整流电路，在软件中建立相应的爪极发电机定子绕组匝间短路工作电路模型；根据需要分析的电磁噪声的最高频率以及频率分辨率，确定电流仿真的仿真步长和仿真步数；根据爪极发电机的电磁参数和运行工况，对工作电流进行仿真，以输出绕组匝间短路时的定子三相电流。

优选的，所述爪极发电机的电磁场有限元模型的建立过程具体包括：

根据爪极发电机的实际尺寸，在电磁仿真软件中建立爪极发电机的三维几何模型；根据爪极发电机实际的并绕绕组根数和定子绕组匝间短路形式，在每个定子槽中建立相应数量的导体；设置边界条件并进行网格划分，得到爪极发电机的电磁场有限元模型。

优选的，所述步骤S2具体包括：

S21、根据爪极发电机的实际电路和绕组匝间短路形式，在电磁场有限元模型的电路模块建立绕组匝间短路时的电路模型；

S22、将所述绕组匝间短路时的电路模型中的绕组与几何模型定子槽中的导体关联起来，并设置绕组的匝数和电阻等参数；

S23、将步骤S1仿真得到的定子三相电流加载到绕组匝间短路时的电路模型中，将爪极发电机当做电动机进行电磁场仿真，以输出绕组匝间短路时爪极发电机受到的电磁力。

优选的，所述步骤S3中采用边界元法计算得到绕组匝间短路时爪极发电机的电磁噪声的仿真结果。

优选的，所述步骤S3具体包括：

S31、考虑定子铁芯和绕组的各向异性、电机的装配和安装条件，对爪极发电机整机进行有限元约束模态分析，得到包含模态信息的爪极发电机结构有限元模型；

S32、将步骤S2仿真得到的电磁力通过网格映射的方式加载到爪极发电机的结构有限元模型上，并采用模态叠加法仿真计算绕组匝间短路时爪极发电机表面的振动加速度信号；

S33、将爪极发电机表面的振动加速度信号转移到边界元网格上，采用边界元法计算得到绕组匝间短路时的电磁噪声的仿真结果。

与现有技术相比，本发明提供了一种定子绕组匝间短路下汽车用爪极发电机的电磁噪声仿真方法，实现了定子绕组匝间短路故障下的电磁噪声仿真计算，可以定量分析两种定子绕组匝间短路形式(同一根绕组匝间短路和不同根绕组匝间短路)对电磁噪声的影响，将绕组匝间短路下的电磁噪声分析提前到爪极发电机初始设计阶段，实现对绕组匝间短路故障快速有效的仿真，为爪极发电机的设计和分析提供了数据支持。

附图说明

图1为本发明定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法的流程图；

图2为两根导线并联的Δ形连接三相绕组示意图；

图3为定子同相绕线同一根导线匝间短路示意图；

图4为定子同相绕线不同根导线匝间短路示意图；

图5为三相爪极发电机的Matlab/Simulink电路图；

图6为定子同相绕线同一根导线匝间短路时的短路相电路图；

图7为定子同相绕线不同根导线匝间短路时的短路相电路图；

图8为正常的三相12极36槽爪极发电机电磁模型；

图9为定子同相绕组匝间短路的三相12极36槽爪极发电机电磁模型；

图10为绕组匝间短路时爪极发电机的电磁噪声仿真计算流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

对于没有发生匝间短路的正常的爪极发电机，只需在电磁有限元软件中建立爪极发电机的几何模型和工作电路，设置相关边界条件，按照发电机的工作模式，即可完成电磁力的仿真。而对于发生绕组匝间短路的爪极发电机，其电路变得比较复杂，单靠电磁有限元软件难以完成电磁力的仿真，因此需要将电磁有限元软件和Matlab软件相结合，即首先在Matlab/Simulink中搭建绕组匝间短路时的电路模型并仿真得到绕组三相电流，然后再将该三相电流加载到电磁有限元模型的电路中，因为正常的发电机仿真无需设置定子电流，而电动机仿真才需要设置定子电流，所以将爪极发电机当成电动机进行电磁场仿真。

如图1所示，一种定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法，包括以下步骤：

S1、根据爪极发电机的电磁参数和定子绕组匝间短路故障情形，通过Matlab/Simulink软件建立绕组匝间短路时爪极发电机的工作电路模型，通过电磁有限元软件建立爪极发电机的电磁场有限元模型；在工作电路模型中仿真得到定子绕组匝间短路时爪极发电机的定子三相电流。

对于绕组匝间短路时爪极发电机的工作电路模型的建立过程，爪极发电机为了增加定子槽满率，通常将两根或者多根导线并联当成一根导线然后再进行绕制，图2是两根导线并联的Δ形连接三相绕组示意图，因此爪极发电机的同一相定子绕组匝间短路包含两种情形：同一根绕组匝间短路(图3所示)和不同根绕组匝间短路(图4所示)。针对这两种匝间短路情形并结合实际的整流电路，在Matlab/Simulink中搭建如图5所示的爪极发电机定子绕组匝间短路工作电路模型，为了便于对仿真参数进行设定，三相绕组采用封装子系统，如图5虚线框所示，短路相(假设是B相)的子系统电路图如图6和图7所示，其中图6为同一根导线匝间短路时的B相电路图，图7为不同根导线匝间短路时的B相电路图，短路发生时图6和图7中的Resistor12的电阻值设为0。然后根据需要分析的电磁噪声的最高频率以及频率分辨率，确定电流仿真的仿真步长和仿真步数，假设需要分析10000Hz以内的电磁噪声，频率分辨率为50Hz，则电流的仿真步长为1/(2×10000)＝0.00005s，仿真步数为2×10000/50＝400步。最后根据爪极发电机的电磁参数(定子绕组的电阻和电感等)和运行工况(电机转速等)，对电机工作电流进行仿真，以输出绕组匝间短路时的定子三相电流。

建立爪极发电机的电磁场有限元模型的过程具体包括：

根据爪极发电机的实际尺寸在电磁软件中建立爪极发电机的三维几何模型，如果已经有现成的爪极发电机模型，也可以直接导入现有的几何模型。这里特别强调定子绕组的修改：对于没有发生绕组匝间短路的正常爪极发电机，其定子绕组同一根导线各处的电流均相等，即在图3、图4中有I₁＝I₂＝I₃＝I₄，因此只要在每个定子槽中建立一根导体(如图8所示)；对于发生绕组匝间短路的爪极发电机，每根导线短路点前后的电流是不一样的，对于两根导线并联的定子绕组，每个定子槽中总共有四个不同的电流，因此需要建立四根导体(如图9所示)，也就是说发生短路后会出现多少个不同的电流就需要在定子槽中建立多少根导体。此外，根据爪极发电机的周期性，对于正常爪极发电机只需要建立一个单元电机进行仿真，对于三相12极36槽爪极发电机只需建立六分之一模型，绕组发生匝间短路后破坏了爪极发电机的周期性，所以需要建立完整的模型进行仿真，最后再对模型设置边界条件并进行网格划分。

S2、将定子三相电流加载到电磁场有限元模型的电路模型中，将爪极发电机当做电动机进行电磁场仿真，得到绕组匝间短路时爪极发电机受到的电磁力，具体包括：

根据爪极发电机的实际电路和绕组匝间短路形式，在有限元模型的电路模块建立绕组匝间短路时的电路模型，然后将电路模型中的绕组与几何模型定子槽中的导体关联起来，并设置绕组的匝数和电阻等参数，最后将步骤S1仿真得到的定子三相电流加载到有限元模型的电路中，将爪极发电机当成电动机进行电磁场仿真，以输出绕组匝间短路时爪极发电机受到的电磁力。

S3、将电磁力通过网格映射的方式加载到爪极发电机的结构有限元模型上，采用边界元法计算得到绕组匝间短路时爪极发电机的电磁噪声的仿真结果，具体包括：

考虑定子铁芯和绕组的各向异性、电机的装配和安装条件，对爪极发电机整机进行有限元约束模态分析，得到包含模态信息的爪极发电机结构有限元模型，然后将步骤S2仿真得到的电磁力通过网格映射的方式加载到爪极发电机的结构有限元模型上，并采用模态叠加法仿真计算绕组匝间短路时爪极发电机表面的振动加速度信号，最后将电机表面的振动加速度信号转移到边界元网格上，并采用边界元法计算得到绕组匝间短路时的电磁噪声的仿真结果，电磁噪声的仿真计算流程如图10所示。

结合电磁力的时空特性对绕组匝间短路时爪极发电机的电磁噪声仿真结果进行分析，具体包括：首先提取步骤S3电磁场仿真得到的绕组匝间短路下爪极发电机的气隙磁场，接着利用提取到的气隙磁场，根据麦克斯韦应力张量方程计算电磁力，最后对该电磁力进行二维傅里叶分解，得到具有特定空间阶次和频率的电磁力谐波，并结合电磁力谐波对噪声仿真结果进行分析。

Claims (3)

1.一种定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据爪极发电机的电磁参数和定子绕组匝间短路故障情形，通过软件分别建立绕组匝间短路时爪极发电机的工作电路模型以及爪极发电机的电磁场有限元模型，在工作电路模型中仿真得到定子绕组匝间短路时爪极发电机的定子三相电流，

S2、将所述定子三相电流加载到电磁场有限元模型的电路模型中，将爪极发电机当做电动机进行电磁场仿真，得到绕组匝间短路时爪极发电机受到的电磁力，

S3、将所述电磁力通过网格映射的方式加载到爪极发电机的结构有限元模型上，计算得到绕组匝间短路时爪极发电机的电磁噪声的仿真结果；

所述绕组匝间短路时爪极发电机的工作电路模型的建立过程具体包括：根据同一根绕组匝间短路故障和不同根绕组匝间短路故障情形，并结合整流电路，在软件中建立相应的爪极发电机定子绕组匝间短路工作电路模型；根据需要分析的电磁噪声的最高频率以及频率分辨率，确定电流仿真的仿真步长和仿真步数；根据爪极发电机的电磁参数和运行工况，对工作电流进行仿真，以输出绕组匝间短路时的定子三相电流；

所述爪极发电机的电磁场有限元模型的建立过程具体包括：根据爪极发电机的实际尺寸，在电磁仿真软件中建立爪极发电机的三维几何模型；根据爪极发电机实际的并绕绕组根数和定子绕组匝间短路形式，在每个定子槽中建立相应数量的导体；设置边界条件并进行网格划分，得到爪极发电机的电磁场有限元模型；

所述步骤S2具体包括：S21、根据爪极发电机的实际电路和绕组匝间短路形式，在电磁场有限元模型的电路模块建立绕组匝间短路时的电路模型；S22、将所述绕组匝间短路时的电路模型中的绕组与几何模型定子槽中的导体关联起来，并设置绕组的匝数和电阻等参数；S23、将步骤S1仿真得到的定子三相电流加载到绕组匝间短路时的电路模型中，将爪极发电机当做电动机进行电磁场仿真，以输出绕组匝间短路时爪极发电机受到的电磁力。

2.根据权利要求1所述的定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中采用边界元法计算得到绕组匝间短路时爪极发电机的电磁噪声的仿真结果。

3.根据权利要求1所述的定子绕组匝间短路下爪极发电机的电磁噪声仿真方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31、考虑定子铁芯和绕组的各向异性、电机的装配和安装条件，对爪极发电机整机进行有限元约束模态分析，得到包含模态信息的爪极发电机结构有限元模型；

S32、将步骤S2仿真得到的电磁力通过网格映射的方式加载到爪极发电机的结构有限元模型上，并采用模态叠加法仿真计算绕组匝间短路时爪极发电机表面的振动加速度信号；

S33、将爪极发电机表面的振动加速度信号转移到边界元网格上，采用边界元法计算得到绕组匝间短路时的电磁噪声的仿真结果。

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